CN109277110B - 一种不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF析氧电催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF析氧电催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF析氧电催化剂，包括作为基底的泡沫镍、以及包覆在泡沫镍表面的不规则球状的V掺杂的Ni3S2。该材料由以下方法得到：将清洁的泡沫镍浸泡在含有氯化镍、氯化钒、氟化铵、及尿素的前驱体溶液中，进行第一次水热反应；将反应后的泡沫镍浸泡在硫代乙酰胺的水溶液中，进行第二次水热反应，即可得到不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料。该方法操作简单，成本低廉，对环境友好，可实现工业化生产，所得产品在碱性条件下具有良好的电催化性能。

Description

一种不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF析氧电催化剂及其制备 方法
技术领域
本发明属电催化分解水技术领域，具体涉及一种不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF析氧电催化剂及其制备方法。
背景技术
目前，电解水技术被认为是产生氢气和氧气的最佳途径之一。而电解水的阳极析氧反应是一个复杂的四电子反应，因此提高阳极的电催化活性在提高电解水效率方面有着很重要的作用。贵金属氧化物IrO2、RuO2被认为是最有效的电催化水裂解析氧反应（OER）过程的催化剂，但它们价格昂贵且资源缺乏严重影响了它们的大规模应用。因此，寻找并开发高效、高稳定性、且价格低廉的催化剂迫在眉睫。
目前已经研究制备了一些先进的电极材料，如层状双金属氢氧化物（简称LDH）、氧化物等，但它们大多数导电性较差，耐久性差，过电势高，合成过程复杂，花费高。近年来，金属硫化物受到越来越多的关注，例如二元硫化镍、二元硫化钴等，它们在电催化过程中均具有良好的催化活性，相比较而言，三元硫化物可提供更多的活性位点和丰富的活性位点，但三元硫化物的制备仍存在耗时长、工艺复杂、控制参数较多等难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料，可应用于电催化水裂解的催化材料。
（1）将泡沫镍浸入丙酮溶液中超声清洗5~20min、然后转移至2~4mol/L的盐酸中进行超声清洗5~20min，最后分别用乙醇与超纯水交替冲洗2~3次，再在25~35℃下真空干燥10~14h；
（2）配置前驱体溶液，该前驱体溶液中包含浓度为（0.05~0.2）mol/L的六水合氯化镍，浓度为（0.0125~0.1）mol/L的氯化钒，浓度为（0.01~0.1）mol/L的氟化铵和浓度为（0.125~0.35）mol/L的尿素的水溶液，在室温下磁力搅拌20~40min得到澄清溶液A。将澄清溶液A和步骤（1）处理好的泡沫镍转入高温高压水热釜中，然后在90~150℃下反应6~15h，其中反应填充比应该控制在20~80%。水热反应结束，将反应釜自然冷却到室温，然后将反应后冷却的泡沫镍取出，经过3次水洗和3次醇交替清洗后收集产物，并在25~35℃下，真空干燥3~5h.
（3）称取适量的硫代乙酰胺（TAA）加入到20~40ml的去离子水中，此时TAA的浓度为（2~4）mol/l，然后将步骤（2）干燥后的泡沫镍和TAA溶液一起转移到高温高压水热釜中，然后在120~160℃下反应5~10h，其中反应填充比应该控制在20~80%。
本发明的有益的效果为：
（1）本发明提供的不规则球状的V掺杂Ni3S2/NF自支撑电极的制备方法，操作简单，成本低廉，对环境友好，可实现工业化生产。
（2）本发明制备出的不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF自支撑电极，在碱性条件下具有良好的电催化性能。
附图说明
图1为本发明实施例5制备的不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料的X-射线衍射（XRD）图谱；
图2为本发明实施例5制备的不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料的扫描电镜（SEM）照片；
图3为本发明实施例5制备的不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料的OER性能图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1：
（1）将泡沫镍浸入丙酮溶液中超声清洗10min、然后转移至2mol/L的盐酸中进行超声清洗10min，最后分别用乙醇与超纯水交替冲洗3次，再在35℃下真空干燥10h；
（2）配置前驱体溶液，该前驱体溶液中包含浓度为0.05mol/L的六水合氯化镍，浓度为0.0125mol/L的氯化钒，浓度为0.05mol/L的氟化铵和浓度为0.125mol/L的尿素的水溶液，在室温下磁力搅拌20min得到澄清溶液A。将澄清溶液A和步骤（1）处理好的泡沫镍转入高温高压水热釜中，然后在100℃下反应18h，其中反应填充比应该控制在40%。水热反应结束，将反应釜自然冷却到室温，然后将反应后冷却的泡沫镍取出，经过3次水洗和3次醇交替清洗后收集产物，并在35℃下，真空干燥3h.
（3）称取适量的硫代乙酰胺（TAA）加入到20ml的去离子水中，此时TAA的浓度为2mol/l，然后将步骤（2）干燥后的泡沫镍和TAA溶液一起转移到高温高压水热釜中，然后在120℃下反应10h，其中反应填充比应该控制在40%。
实施例2：
（1）将1cm x 5cm的泡沫镍浸入丙酮溶液中超声清洗10min、然后转移至2mol/L的盐酸中进行超声清洗10min，最后分别用乙醇与超纯水交替冲洗3次，再在35℃下真空干燥10h；
（2）配置前驱体溶液，该前驱体溶液中包含浓度为0.1mol/L的六水合氯化镍，浓度为0.04mol/L的氯化钒，浓度为0.05mol/L的氟化铵和浓度为0.2mol/L的尿素的水溶液，在室温下磁力搅拌20min得到澄清溶液A。将澄清溶液A和步骤（1）处理好的泡沫镍转入高温高压水热釜中，然后在120℃下反应14h，其中反应填充比应该控制在40%。水热反应结束，将反应釜自然冷却到室温，然后将反应后冷却的泡沫镍取出，经过3次水洗和3次醇交替清洗后收集产物，并在35℃下，真空干燥3h.
（3）称取适量的硫代乙酰胺（TAA）加入到30ml的去离子水中，此时TAA的浓度为2mol/l，然后将步骤（2）干燥后的泡沫镍和TAA溶液一起转移到高温高压水热釜中，然后在140℃下反应8h，其中反应填充比应该控制在60%。
实施例3：
（1）将1cm x 5cm的泡沫镍浸入丙酮溶液中超声清洗5min、再将泡沫镍浸入到2mol/L的盐酸中进行超声清洗5min，最后分别用乙醇与超纯水交替冲洗3次，在30℃下真空干燥10后得到处理后的泡沫镍；
（2）配置前驱体溶液，该前驱体溶液中包含浓度为0.1mol/L的六水合氯化镍，浓度为0.05mol/L的氯化钒，浓度为0.05mol/L的氟化铵和浓度为0.2mol/L的尿素的水溶液，在室温下磁力搅拌20min得到澄清溶液A。将澄清溶液A和步骤（1）处理好的泡沫镍转入高温高压水热釜中，然后在140℃下反应10h，其中反应填充比应该控制在30%。水热反应结束，将反应釜自然冷却到室温，然后将反应后冷却的泡沫镍取出，经过3次水洗和3次醇交替清洗后收集产物，并在35℃下，真空干燥3h.
（3）称取适量的硫代乙酰胺（TAA）加入到30ml的去离子水中，此时TAA的浓度为3mol/l，然后将步骤（2）干燥后的泡沫镍和TAA溶液一起转移到高温高压水热釜中，然后在120℃下反应10h，其中反应填充比应该控制在60%。
实施例4：
（1）将1cm x 5cm的泡沫镍浸入丙酮溶液中超声清洗5min、再将泡沫镍浸入到2mol/L的盐酸中进行超声清洗5min，最后分别用乙醇与超纯水交替冲洗3次，在30℃下真空干燥10后得到处理后的泡沫镍；
（2）配置前驱体溶液，该前驱体溶液中包含浓度为0.1167mol/L的六水合氯化镍，浓度为0.067mol/L的氯化钒，浓度为0.05mol/L的氟化铵和浓度为0.2167mol/L的尿素的水溶液，在室温下磁力搅拌20min得到澄清溶液A。将澄清溶液A和步骤（1）处理好的泡沫镍转入高温高压水热釜中，然后在150℃下反应15h，其中反应填充比应该控制在40%。水热反应结束，将反应釜自然冷却到室温，然后将反应后冷却的泡沫镍取出，经过3次水洗和3次醇交替清洗后收集产物，并在35℃下，真空干燥3h.
（3）称取适量的硫代乙酰胺（TAA）加入到40ml的去离子水中，此时TAA的浓度为4mol/l，然后将步骤（2）干燥后的泡沫镍和TAA溶液一起转移到高温高压水热釜中，然后在160℃下反应5h，其中反应填充比应该控制在80%。
实施例5：
（1）将1cm x 5cm的泡沫镍浸入丙酮溶液中超声清洗5min、再将泡沫镍浸入到2mol/L的盐酸中进行超声清洗5min，最后分别用乙醇与超纯水交替冲洗3次，在30℃下真空干燥10后得到处理后的泡沫镍；
（2）配置前驱体溶液，该前驱体溶液中包含浓度为0.1mol/L的六水合氯化镍，浓度为0.025mol/L的氯化钒，浓度为0.05mol/L的氟化铵和浓度为0.25mol/L的尿素的水溶液，在室温下磁力搅拌20min得到澄清溶液A。将澄清溶液A和步骤（1）处理好的泡沫镍转入高温高压水热釜中，然后在150℃下反应10h，其中反应填充比应该控制在40%。水热反应结束，将反应釜自然冷却到室温，然后将反应后冷却的泡沫镍取出，经过3次水洗和3次醇交替清洗后收集产物，并在35℃下，真空干燥3h.
（3）称取适量的硫代乙酰胺（TAA）加入到25ml的去离子水中，此时TAA的浓度为2mol/l，然后将步骤（2）干燥后的泡沫镍和TAA溶液一起转移到高温高压水热釜中，然后在120℃下反应10h，其中反应填充比应该控制在50%。
图1为本实施例制备的不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料的X-射线衍射（XRD）图谱。从XRD图谱中可以看出，在21°、31°、37°、49°、和55°左右出现Ni3S2的衍射峰，除此之外为泡沫镍的衍射峰，无钒物相的衍射峰出现，说明该物相为V掺杂的Ni3S2。
图2为本实施例制备的不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料的扫描电镜（SEM）照片。SEM照片显示本发明制备的V掺杂的Ni3S2具有不规则球状形貌特征。
图3为本实施例制备的不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料的OER性能图。OER性能测试结果显示该电极材料具有优异的电催化产氧性能，在电流密度为50 mA/cm2时，其过电势为370 mV。

Claims (2)

1.一种不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF析氧电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将清洁的泡沫镍浸泡在含有0.05~0.2mol/L的六水合氯化镍、0.0125~0.1mol/L的氯化钒、0.01~0.1mol/L的氟化铵、0.125~0.35mol/L的尿素的水溶液中，进行第一次水热反应，反应温度为90~150℃，反应时间为6~15h，反应填充比控制在20~80%；将反应后的泡沫镍浸泡在2~4mol/L的硫代乙酰胺的水溶液中，进行第二次水热反应，反应温度为120~160℃，反应时间为5~10h，反应填充比控制在20~80%，得到不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种不规则球状的V掺杂的Ni3S2/NF析氧电催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
1）将泡沫镍浸入丙酮溶液中超声清洗5~20min、然后转移至2~4mol/L的盐酸中进行超声清洗5~20min，最后分别用乙醇与超纯水交替冲洗2~3次，再在25~35℃下真空干燥10~14h；
2）配置前驱体溶液，该前驱体溶液中包含浓度为0.05~0.2mol/L的六水合氯化镍、浓度为0.0125~0.1mol/L的氯化钒、浓度为0.01~0.1mol/L的氟化铵、和浓度为0.125~0.35mol/L的尿素的水溶液，在室温下磁力搅拌20~40min得到澄清溶液A；将澄清溶液A和步骤1）处理好的泡沫镍转入高温高压水热釜中，然后在90~150℃下反应6~15h，其中反应填充比应该控制在20~80%；水热反应结束，将反应釜自然冷却到室温，然后将反应后冷却的泡沫镍取出，经过3次水洗和3次醇交替清洗后收集产物，并在25~35℃下，真空干燥3~5h；
3）称取适量的硫代乙酰胺TAA加入到20~40ml的去离子水中，此时TAA的浓度为2~4mol/L，然后将步骤2）干燥后的泡沫镍和TAA溶液一起转移到高温高压水热釜中，然后在120~160℃下反应5~10h，其中反应填充比应该控制在20~80%。
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